Установка для опріснення води з розробкою апарату зворотного осмосу

    Оскільки  високомінералізована і питна вода, а також промислові стоки є  водними розчинами неорганічних і органічних речовин, то для їх опріснення та доочищення використовуються процеси, метою яких є розділення розчину на чисту (або умовно чисту) воду та концентрат домішок. Одним із таких процесів є процес зворотного осмосу.

    За  допомогою цього методу можна проводити глибоке опріснення води. У нормальних умовах ефект опріснення становить 95-98%. Поділ води і які містяться в ній речовин досягається за допомогою напівпроникною мембраною. Самі мембрани виготовляються з різних матеріалів, наприклад, поліаміду або ацетат целюлози і випускаються у вигляді порожнистих волокон або рулонного типу. Через мікроскопічно малі пори цих мембран може практично проникати тільки чиста вода і розчинені в ній гази, у той час як сіль, мікроорганізми, органічні сполуки і т.д. в основному затримуються мембраною [1].

    Ефект опріснення і пов'язана з ним  продуктивність з опрісненням води залежить від різних чинників, насамперед від загального солевмісту сирої  води, а також сольового складу, тиску та температури.

    

          В даній роботі розглянуто технологію отримання прісної (питної) води, яка передбачає  розділення методом зворотного осмосу, водного розчину солі NaCl з концентрацією 3,5% до розчину з концентрацією не більше ніж 0,1%. Ця технологія має суттєві переваги в порівнянні з традиційними методами очистки водних розчинів солей, а саме:

     - безперервний процес отримання  чистої води;

     - низькі енергозатрати;

     - простота обслуговування та експлуатації;

     - безпека для довколишньго середовища.  

       
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Опис технологічного процесу

    Апаратурно-технологічна схема очистки води методом зворотного осмосу зображена на рис.1. Водний розчин солі NaCl з концентрацією 3,5% зі збірника Зб1 подається за допомогою насоса Н2 у піщаний гідростатичний фільтр Ф3 де механічно очищується від твердих домішок які знаходяться у розчині (при наявності у розчині вапна, хлору, бактерій, гідроксидів та інших домішок можуть використовуватись інші фільтри). Далі з фільтру Ф3 розчин подається, за допомогою плунжерного насосу з регульованою подачею Н4, одночасно у 8 паралельно сполучених мембранних апаратів Ф5 з постійною подачею 1000 л/год. Утворившийся в результаті розділення концентрат відводиться у збірник концентрату Зб7. Перміат (очищена вода) збирається у збірник для перміату Зб6, звідки вже використовується як очищена вода на промислові потреби [5].   

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Призначення  та сфера використання апарату 

    Установки зворотного осмосу слугують для знесолення води. Очищена вода вже не містить  такі розчинні та не розчинні речовини, як солі, колоїди, тверді частинки, бактерії та пірогени.

    Така  вода використовується як:

• підживлююча вода для систем опалення та кондиціонування;
• підживлююча вода для водо нагрівних та парових котлів;
• вода для лабораторій;

    

• вода для  прання та миття;
• вода для харчової та косметичної промисловості;
• вода для приготування напоїв;
• технологічна вода для фармацевтичної промисловості;
• технологічна вода для напівпровідникової промисловості;
• питна вода.

    В даній курсовій роботі мембранний апарат використовується для очищення водного розчину NaCl від концентрації солі у ньому 3,5% до 0,1%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3. Технічна характеристика мембранного апарату

      

1. Апарат  призначений для очищення водного  розчину NaCl від концентрації 3,5% до 0,1%.

2. Робочий  об’єм апарату, м³                                                                               0,2

3. Продуктивність  по вихідному розчину, кг/с                                                     0,277

4. Продуктивність  по перміату, кг/с                                                                    0,21

5. Кількість  мембранних модулів, шт.                                                                           2

6. Поверхня  мембрани у апараті, м²                                                                            13

7. Робочий тиск, МПа                                                                                          5

8. Робоча  температура, ^оС                                                                                   25

9. Габаритні  розміри, мм

     довжина                                                                                                2050

     ширина                                                                                                   125

     висота                                                                                                     230 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Обґрунтування вибору обраної конструкції 

4.1 Опис  конструкції основних компонуючих  одиниць та деталей 

Основними компонуючими одиницями лінії для  опріснення води методом зворотного осмосу є:

1. Збірник вихідного розчину;
2. Фільтр;
3. Апарати зворотного осмосу;
4. Ємності для концентрату та перміату;
5. Апарати зворотного осмосу;
6. Система транспортування;

    Основними компонуючими елементами апарату зворотного осмосу є: мембранний модуль, корпус апарата, бокові герметичні кришки, штуцери подачі та відводу відповідних розчинів.  

    4.2 Склад апарату зворотного осмосу 

    Апарат  зворотного осмосу  (рис. 2) являє  собою апарат рулонними фільтруючими елементами з горизонтальним компонуванням. Апарат складається з корпусу 4, виконаного у вигляді труби з нержавіючої сталі у якому розміщується від одного до чотирьох рулонних модулів 2. Модуль формується навивкою п’яти мембранних пакетів на перміатовідвідну трубку 6. Пакет утворюють дві мембрани 11, між якими розташований дренажний шар 13. Мембранний пакет герметично з’єднаний з перматовідвідною трубкою, краї його також герметизують, щоб уникнути змішування розчину що розділяється з перміатом. Для створення необхідного зазору між мембранними пакетами при навивці модуля вкладують крупнокомірчату  сітку-сеператор 12, завдяки чому формуються напорні канали для проходження розчину що розділяється.

    Герметизація  перміатовідвідних труб у апараті  забезпечується гумовими кільцями 7. Герметизація корпусу виконується за допомогою двох кришок 3, гумових кілець 10 і упорних гумових кілець 2, які розміщуються у прорізі накидного кільця 1, яке приварюється до корпуса 4 [5].  

    

Рисунок 2. Аппарат зворотного осмосу 

    4.3 Принцип роботи апарату зворотного  осмосу 

    Вихідний розчин NaCl через штуцер потрапляє у апарат та проходить через витки модуля (напорні канали) у осьовому напрямі. Послідовно проходячи усі ці модулі розчин концентрується і видаляється з апарату через штуцер відводу концентрату. Перміат який пойшов через мембрани транспортується по дренажному шару до перміатовідвідної трубки, проходить через отвори у її стінці і всередині трубки рухається у бік вихідних штуцерів. З метою уникнення телескопічного ефекту (яке виникає внаслідок різниці тисків біля торців модулів і що приводить до зміщення шарів навивки у осьовому напрямі) біля заднього торця модуля встановлюють антителескопічну гратку 5, у яку він спирається.    

    4.4 Порядок роботи 

    При запуску апарата регулюючий затискач повинен бути повністю відкритий. Переконавшись у цьому, у збірник заливають воду й включають насоси. Після повного витиснення повітря з мембранного апарату розпочинається процес розділення.

    Вмикання й вимикання насоса при закритому регулюючому затискачі або занадто швидке закриття затискача можуть привести до різкого підвищення тиску в системі, та виникнення "гідравлічному удару" - внаслідок чого можливий розрив мембрани.

    

    Стаціонарний  режим фільтрації досягається за (1÷2)год.  роботи апарату. Процес фільтрації ведуть до досягнення потрібного ступеня концентрації цільового продукту. Відключення апарата роблять у порядку, зворотному включенню. Спочатку повільно відкривають регулюючий затискач, і переконавшись у тому, що тиск в апараті знизився до мінімуму, виключають насос. Залишки концентрату з модуля й комунікацій зливають, відокремивши живильний шланг від вхідного штуцера модуля [2].

    Параметри, контрольовані при роботі апарату:

• робочий тиск у апараті;
• температура продукту;
• наявність протікань;
• продуктивність по перміату;

інші параметри, необхідні споживачеві.

5. Техніка безпеки

    Обслуговуючий персонал повинен бути навчений правилам роботи з апаратом і ознайомлений із правилами техніки безпеки.

    Заземлення насосного агрегату обов'язково.

    Не  допускається:

• робота насоса в "суху" (без заповнення його рідиною);
• потрапляння вологи на струмоведучі елементи електроприводу;
• перевищення робочого тиску понад припустимий;
• промивання апарата концентрованими розчинами кислот 
  і лугів;
• перевищення температури рідини, що фільтрується вище допустимої. 
  Наявність у рідини, що фільтрується абразивних часток приводить до псування насоса й втрати мембранами їх селективних властивостей. При наявності в рідині таких часток, їх необхідно попередньо відокремлювати фільтруванням.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкції 

5.1 Визначення  ступеня концентрування

    У апараті зворотного осмосу розчин концентрується від початкової концентрації (мас.) до кінцевої (мас.).

    Ступінь концентрування обчислюємо за формулою [5]:

 

5.2 Вибір  робочої температури та різниці  тисків через мембрану 

    З підвищенням температури розчину, що розділюється селективність мембран змінюється мало, а питома продуктивність підвищюється у першому наближенні зворотно пропорційно в’язкості перміату (у тому діапазоні температур, де мембрани не руйнуються від термічних впливів). Але з підвищенням температури зростає швидкість гідролізу полімерних мембран та скорочується строк їх служби. Враховуючи це, а також те, що використання теплообмінників ускладнює та робить процес більш коштовним, зворотній осмос доцільно проводити при температурі навколишнього середовища (звичайно 20-25 ⁰С). У тих випадках, коли технологічний розчин, який розділяється, вже має підвищену температуру, економічно виправдана робота і при температурах вище 25 ⁰С [5].